開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的測量方法

　　所需設(shè)備

　　1. 一個可程控交流電源供應(yīng)器或一個自耦變壓器

　　2. 一個電子負(fù)載

　　3. 一個瓦特表和兩個數(shù)字萬用表（其中最好有一個高精度數(shù)字萬用表，用來測量電流）或者四個數(shù)字萬用表（其中，一個為真有效值、高精度萬用表，用來測量輸入電流；一個為高精度萬用表，用來測量輸出電流）

　　注釋：在使用萬用表時(shí)，您需要根據(jù)要測量的電壓和電流值將萬用表設(shè)置在合適的量程內(nèi)，這一點(diǎn)非常重要。

　　直流輸出功率僅等于電壓與電流的乘積，只需兩個萬用表即可測量出大小。我們將用一個高精度萬用表來測量輸出到負(fù)載的電流，用一個標(biāo)準(zhǔn)萬用表來測量電源的輸出電壓。由于交流系統(tǒng)中電壓與電流之間存在相位角，因此不能簡單地將RMS 輸入電壓與RMS 輸入電流相乘來計(jì)算輸入功率。只有電源消耗的有功功率（P）才是必須考慮的。而返回到電源的無功功率Q,則不應(yīng)考慮進(jìn)來。

　　瓦特表的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確測量輸入功率，原因在于它能自動校正功率因數(shù)。如果沒有瓦特表，則可使用兩個萬用表來測量輸入電壓和電流。但這種替代性方法與使用瓦特表相比，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性不高，并且還需要對待測電源進(jìn)行斷路。

　　直接將電壓表跨接到電路板輸出端，并與電子負(fù)載連接。測量輸出端電壓時(shí)，會不計(jì)與負(fù)載相連的電纜上的壓降。在有些應(yīng)用中，比如手機(jī)充電器或筆記本電腦適配器中，必須計(jì)算電纜中的損耗，此時(shí)需要從負(fù)載測量輸出電壓。然后將高精度電流表與負(fù)載串聯(lián)，測量輸出電流。

　　交流接通注意事項(xiàng)

　　如果使用的器件采用開/關(guān)控制方案，在檢測輸入電壓下快速裝上電源，使輸出達(dá)到滿載，這時(shí)就可以測量出最差情況下的效率。不過，在大容量電容充電時(shí)，裝上電源會產(chǎn)生非常大的浪涌電流。如果輸入電流表設(shè)置為低量程，這會導(dǎo)致其中的保險(xiǎn)絲熔斷。

針對不同 SMPS控制方案的建議交流接通程序

　　如果采用四個萬用表的方法，在低輸入電壓和最高負(fù)載下快速裝上電源后，首先應(yīng)測量電源的浪涌電流。然后查閱萬用表的數(shù)據(jù)手冊，確認(rèn)它是否能夠在高輸入電壓下承載如此高的峰值電流。對于所有其它控制方案，接通方法將不會影響效率的測量，建議在檢測時(shí)緩慢調(diào)高交流電壓，以便限制浪涌電流。

　　瓦特表方法

　　將瓦特表連接到電源輸入端，將顯示屏設(shè)置為平均模式，以便獲得較穩(wěn)定的讀數(shù)。接通交流輸入電壓，將它緩慢調(diào)高到所需的檢測電壓。將您電源的負(fù)載增加到滿載。然后關(guān)斷電源，將它重新快速裝回，繼續(xù)完成測量。在本演示中，電源輸出端儀表的測量結(jié)果為4.97 伏和4.005 安。電子負(fù)載的電壓讀數(shù)為4.48 伏。這是由于輸出電纜和萬用表電壓檢測元件上出現(xiàn)了490 mV 的壓降，從而突現(xiàn)了測量電源輸出端電壓的重要性。因此，輸出功率 = 4.97 V 4.005 A = 19.90 瓦。瓦特表讀數(shù)顯示輸入功率為25.76 瓦。因此，電源效率 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%.

　　萬用表方法

　　使用萬用表時(shí)，可以在二極管整流器級將交流電轉(zhuǎn)換為直流電之后來測量輸入功率，從而避開功率因數(shù)的影響。為提高測量準(zhǔn)確性，必須將直流總線級之前的元件中的損耗計(jì)算在內(nèi)。二極管整流橋通常是輸入級中損耗最大的元件，因?yàn)樵谧畈钋闆r下每個二極管中的壓降可達(dá)到0.9伏。對于阻抗或壓降非常大且可測量的其它元件，使用這種方法也可以計(jì)算出其損耗大小。

　　連接萬用表

　　斷開整流橋與大容量電容C2 之間的直流總線。斷開大容量電容后面的直流總線后，需要用萬用表來測量電源的高頻開關(guān)電流，而萬用表無法對此進(jìn)行準(zhǔn)確測量。然后，焊接兩條可用來連接萬用表和電路的導(dǎo)線。連接一個真有效值、高精度萬用表組，測量斷路上的電流。使用另一個萬用表組測量電壓，將它分別連接到直流正極和大容量電容的負(fù)極。

　　測試程序

　　打開交流電源供應(yīng)器，緩慢將電壓調(diào)高到所需的檢測電壓。將電源的負(fù)載增加到滿載。將輸入電流表設(shè)置到最高電流量程。然后切斷交流輸入電壓，重新快速裝上電源。在本演示中，電源仍提供4.97 伏電壓，4.008 安電流和19.92 瓦輸出功率。在輸入端，直流總線電壓為151.6 伏，輸入電流為0.166 安。輸入功率計(jì)算如下：交流輸入損耗

　　現(xiàn)在，必須將整流橋的功率損耗計(jì)算在內(nèi)：

　　功率損耗估計(jì)值 = 最差情況下的二極管總壓降 輸入電流

　　= 1.8 V 0.166 A

　　= 0.299 W

　　因此，總輸入功率 = 25.1656 W + 0.299 W

　　= 25.46 W

　　采用這種測量方法，可計(jì)算得出電源效率：= 78.2%

　　與使用瓦特表測量計(jì)算得出的77.3%相比，我們可以看出，用四個萬用表進(jìn)行測量，最后的誤差為0.9%.

　　提高準(zhǔn)確度

　　我們可以通過調(diào)整輸入功率來提高這種測量方法的準(zhǔn)確度，在計(jì)算時(shí)，除二極管整流橋的損耗外，還應(yīng)將其他輸入級元件，如浪涌限制器、共模扼流圈和數(shù)字萬用表的電流檢測元件的損耗包括在內(nèi)。要計(jì)算這些損耗，需要測量各元件在正常工作情況下的壓降，然后用該壓降值乘以測得的輸入電流。將這些損耗計(jì)算在內(nèi)，將會增大總輸入功率并降低計(jì)算得出的效率。

　　不過，用這種方法測得的結(jié)果始終不會像用瓦特表測量輸入功率一樣準(zhǔn)確。測量一系列輸入及輸出值，確定損耗原因電源效率與輸入電壓和輸出負(fù)載有關(guān)。*估電源時(shí)，通常需要在幾個不同的輸入電壓水平下測量效率，以便更好地判斷出電路中的損耗究竟在何處。把得出的結(jié)果繪制在圖表中，說明滿載條件下效率與輸入電壓的關(guān)系。

　　導(dǎo)通損耗對效率的影響 開關(guān)損耗對效率的影響

　　低輸入電壓下效率下降，這通常是由于電路中的阻性元件產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗造成的。這些損耗之所以會在低輸入電壓下增加，是因?yàn)樾枰^高的電流來維持相同的輸出功率。而高輸入電壓下的效率下降，通常是由于開關(guān)損耗造成的。這些損耗來自寄生電容。在高輸入電壓下?lián)p耗增加，是因?yàn)榧纳娙輹诟叩碾妷合鲁浞烹?。確定損耗原因并采取糾正措施后，將會得到以下曲線圖。設(shè)計(jì)良好的電源的效率與輸入電壓的關(guān)系。